9FA燃機(jī)透平排氣分散度高的原因分析及預(yù)防對(duì)策

王亮茗

(江蘇華電戚墅堰發(fā)電有限公司，江蘇 常州 213000)

0 引言

GE公司PG9351FA型燃?xì)廨啓C(jī)(以下簡(jiǎn)稱燃機(jī))采用的是DLN2.0+燃燒室。在高溫下連續(xù)運(yùn)行，燃燒器、火焰筒等熱通道部件難免會(huì)出現(xiàn)各種故障，運(yùn)行中難以直接對(duì)這些高溫部件進(jìn)行監(jiān)測(cè)以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，采用了測(cè)量透平排氣溫度的方法來(lái)監(jiān)視判斷高溫部件工作是否正常。當(dāng)燃燒室燃燒不正常，火焰筒、過(guò)渡段破裂引起透平一級(jí)噴嘴前溫度場(chǎng)不均勻時(shí)都會(huì)引起透平進(jìn)、出口流場(chǎng)和排氣溫度場(chǎng)的嚴(yán)重不均勻，因此，通過(guò)測(cè)量排氣溫度場(chǎng)是否均勻(即測(cè)量透平排氣分散度的大小)，即可間接監(jiān)測(cè)燃燒是否正常。分析總結(jié)燃機(jī)透平排氣分散度大的原因并提出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，對(duì)確保機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，有著深遠(yuǎn)意義。

1 燃機(jī)的燃燒監(jiān)測(cè)

PG9351FA型燃機(jī)在透平排氣擴(kuò)壓段后通道中沿圓周方向上均布了31支排氣熱電偶，如圖1所示。機(jī)組在穩(wěn)定工況運(yùn)行時(shí)，排氣溫度場(chǎng)不可能完全均勻，各熱電偶讀數(shù)總有所差別，因此，確定機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)允許各熱電偶測(cè)量的溫度差稱為允許的排氣分散度Sallow。燃機(jī)運(yùn)行時(shí)，31支排氣熱電偶測(cè)量到的排氣溫度數(shù)值送至MARK-Ⅵ控制系統(tǒng)，按溫度值從高到低得到溫度值序列，按溫度值從高到低排出它們的位置序列，計(jì)算出最高排氣溫度和最低排氣溫度之差為S1，最高排氣溫度和次低排氣溫度之差為S2，最高排氣溫度和第3低排氣溫度之差為S3。這3個(gè)實(shí)際分散度的值與允許分散度的值進(jìn)行比較，并輔以這3個(gè)低點(diǎn)的原件是否存在相鄰關(guān)系條件，將產(chǎn)生如下3種遮斷跳機(jī)保護(hù)。

(1)若S1/Sallow≥1.00，同時(shí)S2/Sallow≥0.80，且排氣溫度最低和次低位置相鄰，機(jī)組將遮斷停機(jī)。

(2)若S1/Sallow≥5.00，同時(shí)S2/Sallow≥0.80，且排氣溫度次低和第3低位置相鄰，機(jī)組將遮斷停機(jī)。

(3)若S3/Sallow≥0.75，機(jī)組將遮斷停機(jī)。

圖1 燃機(jī)透平排氣溫度監(jiān)視畫面Fig.1 Gas turbine exhaust gas temperature monitoring screen

2 燃機(jī)透平排氣分散度高原因分析

收集國(guó)內(nèi)9FA級(jí)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組自2005年投產(chǎn)以來(lái)發(fā)生機(jī)組排氣熱電偶故障和排氣分散度高跳機(jī)案例，并分析原因。

2.1 排氣熱電偶故障

排氣熱電偶布置在透平排氣熱通道中，因測(cè)量環(huán)境惡劣，運(yùn)行中受氣流沖刷、機(jī)組共振影響，經(jīng)常發(fā)生熱電偶偏斜，熱電偶嚴(yán)重磨損，固定點(diǎn)松動(dòng)，接線端子松動(dòng)，熱電偶導(dǎo)線高溫老化，導(dǎo)線裸露與相鄰部件發(fā)生碰磨而開(kāi)路，而這些都會(huì)導(dǎo)致排氣熱電偶測(cè)量失準(zhǔn)或故障。通常在MARK-Ⅵ控制界面上發(fā)現(xiàn)有以下象征：監(jiān)視有1個(gè)排氣溫度測(cè)點(diǎn)明顯偏低，但相鄰溫度點(diǎn)均正常，或控制系統(tǒng)因S1/Sallow≥5.00，發(fā)出熱電偶故障、燃燒故障報(bào)警，都可以判斷出該排氣熱電偶故障。GE公司《9F級(jí)單軸燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組運(yùn)行維護(hù)手冊(cè)》[1]中指出：運(yùn)行中一個(gè)排氣熱電偶故障時(shí)，機(jī)組可繼續(xù)運(yùn)行，但降低了機(jī)組運(yùn)行的安全、可靠性，若發(fā)生相鄰熱電偶故障，或有3個(gè)排氣熱電偶故障，機(jī)組將遮斷停機(jī)，因此，要盡可能及早更換和消除該缺陷。特別是在機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中，在燃機(jī)點(diǎn)火、全速、低負(fù)荷階段應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)視排氣溫度變化情況，這些階段發(fā)生排氣熱電偶故障后，由于燃機(jī)溫度較低，可立即進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行更換或檢查，在進(jìn)行檢查前必須解除排氣分散度保護(hù)，維持機(jī)組當(dāng)前工況，防止檢查人員誤動(dòng)相鄰熱電偶造成排氣分散度保護(hù)誤動(dòng)。在機(jī)組正常運(yùn)行中發(fā)生排氣熱電偶故障，可將故障排氣熱電偶中間接線與其他熱電偶并接，從而將故障熱電偶旁路，直至機(jī)組停運(yùn)后再及時(shí)消除缺陷。

2.2 燃燒室燃料噴嘴有異物堵塞

個(gè)別燃燒室由于噴嘴堵塞，局部燃料量減少，直接影響該燃燒室正常工作，使得排氣溫度場(chǎng)產(chǎn)生一個(gè)低溫區(qū)，造成排氣分散度高。出現(xiàn)該異常情況，一般都將使排氣分散度保護(hù)動(dòng)作，機(jī)組遮斷停機(jī)，該異常情況在機(jī)組運(yùn)行時(shí)起因突然，減負(fù)荷無(wú)效。某公司2臺(tái)機(jī)組在2007年初連續(xù)出現(xiàn)數(shù)次因排氣分散度高跳機(jī)，事后用內(nèi)窺鏡對(duì)有關(guān)燃燒室噴嘴檢查發(fā)現(xiàn)噴嘴通道內(nèi)有異物，異物來(lái)源是燃料管道的法蘭上纏繞墊片的金屬絲和石墨條，如圖2所示[2]。

透平天然氣集管和各燃燒室燃料歧管法蘭均采用耐高溫的石墨繞絲墊床，在機(jī)組運(yùn)行一階段后，石墨繞絲墊內(nèi)圈焊點(diǎn)松脫和斷裂后，碎片隨燃料進(jìn)入燃燒室噴嘴通道，造成燃燒不均勻，利用內(nèi)窺鏡和吸塵器將異物清除，同時(shí)將所有燃料集管和各燃燒室燃料歧管以及清吹管線上的法蘭墊片更換成帶內(nèi)外環(huán)的纏繞墊片后，機(jī)組恢復(fù)正常。機(jī)組運(yùn)行時(shí)，通流部分由于氣旋作用，發(fā)生故障的燃燒室位置與排氣熱電偶測(cè)量位置之間有一個(gè)滯后角，并與負(fù)荷、壓氣機(jī)進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉(IGV)開(kāi)度有關(guān)。機(jī)組運(yùn)行一階段后，對(duì)法蘭密封墊要及時(shí)檢查、更換，總結(jié)運(yùn)行小時(shí)數(shù)，減少此類故障。

2.3 燃燒室燃料歧管破損，管道法蘭漏氣

將造成進(jìn)入該燃燒室的燃料量減少，排氣分散度高，燃機(jī)透平間內(nèi)燃料外漏可以結(jié)合透平間危險(xiǎn)氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行綜合判斷。

圖2 燃燒室噴嘴內(nèi)的法蘭墊碎片F(xiàn)ig.2 Flange debris in combustion chamber nozzle

2.4 燃燒室破裂，噴嘴燒蝕

燃燒室噴嘴燒蝕將造成火焰偏斜，火焰中心偏離設(shè)計(jì)區(qū)域，可能引起局部超溫，排氣分散度高。噴嘴組件發(fā)生故障后，會(huì)造成火焰筒、過(guò)渡段等部位變形、燒穿，一級(jí)噴嘴破裂損傷，而透平熱通道部件超溫危害極大，會(huì)直接縮短部件工作壽命。

2.5 火焰筒、過(guò)渡段變形、燒蝕

若火焰筒產(chǎn)生鼓包、凹陷變形、燒穿、過(guò)量空氣漏入，同樣會(huì)造成透平入口溫度場(chǎng)不均勻，排氣分散度高。聯(lián)合循環(huán)機(jī)組負(fù)荷降低，并不意味著燃燒溫度也降低，因?yàn)橐ＷC最高的聯(lián)合循環(huán)熱效率，必須保持較高的余熱鍋爐入口煙溫，因此，機(jī)組在部分負(fù)荷時(shí)通過(guò)IGV溫控減少壓氣機(jī)空氣流量，維持最高的排氣溫度。某廠同類型機(jī)組因天然氣量少，為維持機(jī)組連續(xù)運(yùn)行，經(jīng)常維持180 MW負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行，結(jié)果在機(jī)組燃燒室檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)大部分火焰筒變形、開(kāi)裂，如圖3所示。因?yàn)闄C(jī)組在180 MW負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，燃燒方式為先導(dǎo)預(yù)混模式，此時(shí)大部分燃料仍以擴(kuò)散方式燃燒，擴(kuò)散燃燒火焰穩(wěn)定，燃燒強(qiáng)度大，常用于機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行。但在聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中，低負(fù)荷通過(guò)IGV溫控減少壓氣機(jī)空氣流量，維持最高排氣溫度，使得壓氣機(jī)排氣壓力降低，燃燒室部件摻冷空氣量減少，冷卻效果變差。經(jīng)驗(yàn)表明，GE公司9FA機(jī)組在200 MW以下運(yùn)行小時(shí)增加，造成火焰筒嚴(yán)重變形的概率大大增加。

2.6 一級(jí)噴嘴燒損、開(kāi)裂，冷卻空氣流道堵塞

若排氣分散度高是由燃燒系統(tǒng)故障引起的，造成的局部超溫對(duì)透平一級(jí)噴嘴損傷很大，也直接影響其工作壽命。一級(jí)噴嘴根部裂紋如圖4所示。

2.7 壓氣機(jī)進(jìn)氣加熱系統(tǒng)故障

9FA燃機(jī)壓氣機(jī)進(jìn)氣加熱系統(tǒng)(IBH)與IGV相互配合，具有擴(kuò)大DLN 2.0+燃燒室預(yù)混燃燒工作范圍和限制壓比超限的作用，因此在部分負(fù)荷時(shí)，IBH控制閥參與壓氣機(jī)空氣流量調(diào)節(jié)。當(dāng)IBH控制閥發(fā)生故障，MARK VI邏輯判斷IBH閥位與指令偏差超過(guò)15%，且持續(xù)時(shí)間超過(guò)15 s時(shí)，IBH將故障全開(kāi)。當(dāng)控制系統(tǒng)燃機(jī)復(fù)位后，IBH控制閥恢復(fù)正常開(kāi)度，但此時(shí)壓氣機(jī)流量的突然改變會(huì)使燃空比瞬間變化，火焰穩(wěn)定性突降，導(dǎo)致排氣分散度大。

2.8 機(jī)組啟停時(shí)，天然氣控制閥調(diào)節(jié)品質(zhì)差

機(jī)組啟停過(guò)程中，由于燃料控制閥調(diào)節(jié)品質(zhì)差，流量非線性，導(dǎo)致燃料量波動(dòng)，燃燒品質(zhì)下降，造成排氣分散度增大。

圖3 火焰筒受損Fig.3 Damaged combustion liner

圖4 一級(jí)噴嘴根部裂紋Fig.4 Crack in the root of primary nozzle

2.9 燃燒切換

9FA機(jī)組在190～200 MW負(fù)荷進(jìn)行燃燒切換過(guò)程中，切換點(diǎn)附近發(fā)生燃燒不穩(wěn)定、燃燒振蕩或燃料清吹閥故障，導(dǎo)致燃燒切換失敗，此時(shí)燃料控制閥頻繁動(dòng)作，造成天然氣流量波動(dòng)，從而使排氣分散度增大越限，引起機(jī)組遮斷。

2.10 機(jī)組燃燒調(diào)整

機(jī)組進(jìn)行燃燒調(diào)整時(shí)，調(diào)整不當(dāng)使燃燒安全裕度低。同時(shí)，季節(jié)性的大氣溫度、濕度變化，天然氣的熱值變化以及燃料控制閥精度等抵消了安全裕量，造成機(jī)組排氣分散度大，從而導(dǎo)致燃燒故障。

3 燃機(jī)透平排氣分散度高采取的對(duì)策

燃機(jī)帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，一旦出現(xiàn)排氣分散度大報(bào)警，應(yīng)引起足夠重視，一般從以下幾方面進(jìn)行處理。

(1)如果排氣分散度在增大，應(yīng)持續(xù)減負(fù)荷運(yùn)行；此時(shí)如果排氣分散度繼續(xù)增大，應(yīng)考慮停機(jī)檢查。

(2)IBH控制閥故障，應(yīng)減負(fù)荷至180 MW，待燃燒切換后，D5供氣環(huán)管重新投入，燃燒穩(wěn)定后再進(jìn)行控制系統(tǒng)復(fù)位，及時(shí)檢查閥門定位器。

(3)定期檢查燃燒部件、熱電偶的問(wèn)題，查明各燃料噴嘴燃料分配不均勻的原因。

(4)根據(jù)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)分析，停機(jī)前記錄熱電偶狀況。

(5)停機(jī)后對(duì)火焰筒和過(guò)渡段進(jìn)行孔窺檢查或者拆出進(jìn)行目視檢查。

(6)檢查燃料噴嘴、旋流器和各燃料支管，查明有無(wú)堵塞和燒壞。

排氣分散度是燃機(jī)運(yùn)行時(shí)表征燃燒狀況好壞的重要參數(shù)，排除測(cè)量原因，一般排氣分散度大都預(yù)示著燃燒系統(tǒng)發(fā)生了故障[3]。新安裝或燃燒室更換后的機(jī)組，運(yùn)行中的排氣分散度都較小，但隨著機(jī)組運(yùn)行小時(shí)數(shù)和啟停次數(shù)增加，熱通道部件受熱疲勞、熱沖擊、高溫蠕變的影響，特別是在規(guī)定的燃燒部件檢查(CI小修)前期，排氣分散度大，說(shuō)明透平入口溫度場(chǎng)已出現(xiàn)了不均勻。國(guó)內(nèi)同類型機(jī)組平時(shí)運(yùn)行時(shí)排氣分散度高，其熱通道部件損傷概率較高。有些機(jī)組雖然排氣分散度接近報(bào)警值，機(jī)組并無(wú)遮斷，但熱通道部件損傷已十分嚴(yán)重。

可以看到，采用單一的排氣分散度對(duì)燃燒狀況監(jiān)測(cè)有一定局限性。GE公司在9FA基礎(chǔ)上升級(jí)完善，采用了DLN2.6+燃燒室，該燃燒系統(tǒng)不僅有透平排氣分散度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，還配備了先進(jìn)的燃燒壓力波動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)CDM(combustion dynamics monitoring)和基于模型控制(model-based control)的燃燒自動(dòng)調(diào)整(DLN Auto tuning)。在每個(gè)DLN 燃燒器上安裝有導(dǎo)壓管，在導(dǎo)壓管處連接高頻響的壓電式壓力變送器，就可以采集到燃燒壓力的脈動(dòng)信號(hào)[4]。采集到燃燒壓力脈動(dòng)信號(hào)后，應(yīng)用頻譜分析工具，例如快速傅里葉變換等，對(duì)燃燒壓力脈動(dòng)的特征頻率和幅值等進(jìn)行記錄和分析(如圖5所示)，若某一頻段出現(xiàn)燃燒室脈動(dòng)高，則進(jìn)行燃燒自動(dòng)調(diào)整。需要指出的是，燃燒調(diào)整不是針對(duì)某一個(gè)燃燒室，而是改變?nèi)紵覈娮斓娜剂吓浔?。燃燒壓力脈動(dòng)超過(guò)報(bào)警限值會(huì)進(jìn)行報(bào)警，18個(gè)燃燒室脈動(dòng)測(cè)量值的中值(不是最高值) 超過(guò)了臨界值則自動(dòng)降負(fù)荷, 直到脈動(dòng)正?；蛲顺鲎詣?dòng)燃燒調(diào)整功能，從而改善了燃燒動(dòng)態(tài)品質(zhì)。

圖5 CDM監(jiān)測(cè)顯示界面Fig.5 CDM monitoring interface

安裝了CDM和負(fù)荷快減保護(hù)后，系統(tǒng)就會(huì)在燃燒壓力波動(dòng)的初期監(jiān)測(cè)到變化。該系統(tǒng)比單獨(dú)采用排氣分散度監(jiān)測(cè)具有提前性，能在排氣分散度增大前通過(guò)燃燒自動(dòng)調(diào)整，來(lái)減小燃燒振蕩，保護(hù)透平熱通道部件，降低因排氣分散度大引起的機(jī)組跳閘風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)GE公司PG9351FA型燃機(jī)透平排氣分散度高的原因進(jìn)行了全面分析，提出了一系列解決措施并簡(jiǎn)要介紹了更為先進(jìn)的DLN2.6+燃燒室的CDM。從某公司10多年的運(yùn)行情況來(lái)看，DLN2.0+燃燒室的穩(wěn)定性及環(huán)保排放控制性能都相當(dāng)好。若通過(guò)技術(shù)改造升級(jí)加裝CDM，一定能夠有效降低由于透平排氣分散度高引發(fā)的故障頻率，從而確保機(jī)組安全、高效運(yùn)行。